第三章生物制藥反應過程設備

第三章生物制藥反應過程設備第1頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三生物制藥基本過程如圖所示，主要生產(chǎn)設備包括培養(yǎng)基配制及滅菌設備、空氣預處理及滅菌設備、生物反應器和分離提取設備。

生物制藥基本流程第2頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備根據(jù)不同的細胞生長需要所配制的營養(yǎng)物質即培養(yǎng)基，培養(yǎng)基需要滿足以下條件：①含有合適的營養(yǎng)物質；②合適的pH；③經(jīng)滅菌后才能使用。由于大規(guī)模的微生物、動植物細胞培養(yǎng)都是純種培養(yǎng)過程不允許有雜菌污染，所以要對培養(yǎng)基設備進行滅菌。在發(fā)酵工業(yè)中，廣泛采用的培養(yǎng)基滅菌方法是濕熱滅菌，即直接用高壓蒸汽將物料升溫至115℃～140℃后，保持一段時間以殺死所有的微生物。培養(yǎng)基的滅菌方法有實罐滅菌和連續(xù)滅菌兩種。第3頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備一、培養(yǎng)基實罐滅菌方法及設備實罐滅菌：將培養(yǎng)基置于發(fā)酵罐中用飽和蒸汽加熱，達到預定滅菌溫度后，維持一定時間（30min左右），再冷卻到發(fā)酵溫度，然后接種發(fā)酵，這種滅菌過程叫做實罐滅菌，又稱分批滅菌（工廠里稱實消）。

1.實罐滅菌前的準備

為了保證滅菌的成功，在實罐滅菌前，檢查發(fā)酵罐是否嚴密非常重要，發(fā)酵罐及附屬設備必須全面進行嚴密度檢查，尤其是與發(fā)酵罐直接相通的閥門的嚴密性，在確實無滲漏情況下才開始滅菌。

第4頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備2.實罐滅菌的操作

實罐滅菌操作就是用表壓0.3～0.4MPa的飽和蒸汽將培養(yǎng)基滅菌的過程。

實罐滅菌時間與溫度的關系第5頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備圖中，Ⅰ～Ⅳ階段溫度與時間的關系如下：Ⅰ—夾套預熱階段，培養(yǎng)基由室溫加熱至80-90℃，夾套預熱是為了防止進入罐內的水蒸氣冷凝成水后改變培養(yǎng)基濃度。Ⅱ—直接蒸汽加熱階段，培養(yǎng)基由80-90℃加熱至121℃.Ⅲ—保溫階段，121℃Ⅳ—冷卻階段，121℃冷卻至培養(yǎng)溫度。第6頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三實罐滅菌過程示意圖

第7頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三實罐滅菌動畫第8頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備3.實罐滅菌時間的計算根據(jù)對數(shù)殘留公式，實罐滅菌所需的理論時間可以用下式計算：

式中，為滅菌時間，s；K為滅菌速度常數(shù)，為開始滅菌時原有菌的個數(shù)，個；為結束滅菌時殘留菌的個數(shù)，個第9頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備滅菌速度常數(shù)K與溫度和被殺滅菌的種類有下列關系

通常取代入上式得：式中，A為系數(shù)，；E為滅菌時所需活化能，J/mol；R為氣體常數(shù)，8.314J/（mol.K）；T為熱力學溫度，K。第10頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備二、培養(yǎng)基連續(xù)滅菌方法及設備

連消：培養(yǎng)基的連續(xù)滅方法就是將發(fā)酵罐預先進行滅菌，將配好的培養(yǎng)基在向發(fā)酵罐輸送的同時進行加熱、保溫和冷卻，然后連續(xù)進入已滅好菌的發(fā)酵罐中。

空消：又稱空罐滅菌。培養(yǎng)基的滅菌如果是采用連續(xù)滅菌法，則發(fā)酵罐應在加入滅菌的培養(yǎng)基前先行單獨滅菌，即發(fā)酵罐罐體的滅菌。第11頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備（一）培養(yǎng)基連續(xù)滅菌流程培養(yǎng)基連續(xù)滅菌示意圖第12頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備（二）連續(xù)滅菌的基本設備連續(xù)滅菌的基本設備一般包括：

配料預熱罐：將配好的料液預熱到60～70℃，以避免滅菌時由于料液與蒸汽溫度相差過大而產(chǎn)生水汽撞擊聲；加熱器：作用主要是使高溫蒸汽與料液迅速接觸混合，并使料液的溫度很快升高到滅菌溫度（135℃左右）；維持罐：加熱器加熱的時間很短，通過維持管達到徹底滅菌的效果；冷卻管：從維持罐出來的料液要經(jīng)過冷卻管進行冷卻后，輸送到預先已經(jīng)滅菌過的罐內。第13頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備１.加熱器（１）塔式加熱器培養(yǎng)基從塔底由連消泵打入，打料速度控制在使物料在蒸汽導入管與設備外殼的空隙間流速為0.1m/s左右。料液與小孔中噴出的蒸汽連續(xù)混合，在塔內停留20～30s后，從塔的上部流出。塔式加熱器第14頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備（2）噴射式加熱器料液在中間進入，蒸汽則在周圍環(huán)隙中進入，同時在噴嘴出口處有一個擴大端，擴大端頂端上方設置了一塊弧形擋板，增強了蒸汽與料液的混合加熱效果。料液在進入加熱器時的流速約為1.2m/s左右，蒸汽噴口的環(huán)隙面積約為噴嘴外徑的一倍，擴大管高度一般為1米左右。此種加熱器結構簡單，噪聲少，無震動

。噴射式加熱器第15頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備2、維持罐維持罐的結構高溫培養(yǎng)基由進料口管道進入容器底部，因進料管由圓筒上部側面伸入罐內通至下部，使料液自下向上流動，緩緩上升至出料口流出，如無返混，培養(yǎng)基在維持罐中的停留時間就是連續(xù)滅菌工藝所要求的保溫時間或滅菌時間。第16頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備由于容器直徑較大，培養(yǎng)基在容器內的流速較小，這樣在維持罐中物料的返混現(xiàn)象是不可避免的。因此，在維持罐設計時，取高徑比為2.0～2.5較合適，且外壁要有保溫層。設計培養(yǎng)基在維持罐中實際停留時間一般將理論滅菌保溫時間乘上3～5倍。第17頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備維持罐體積的計算

----維持罐體積，m3；——料液體積流量，m3/h；——物料在維持罐中停留時間，min，——充滿系數(shù)，取0.85～0.9。第18頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備3、冷卻設備（1）噴淋冷卻器

噴淋冷卻器的最上端有一個淋水槽，將水通過噴淋裝置均勻地淋在水平的排管上，以冷卻管內的培養(yǎng)基。噴淋冷卻器冷卻效果的優(yōu)劣與淋水裝置的安裝是否合理關系極大。為了增加傳熱推動力，高溫培養(yǎng)基應由底端進、上端出，物料在管道里流速0.6～0.7m/s。為了強化噴淋冷卻器的冷卻效果，該設備應放在通風的場所。

第19頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)培養(yǎng)基配制及滅菌設備（2）真空冷卻器真空冷卻器真空冷卻器的結構如圖，其工作原理是高溫培養(yǎng)基從維持罐進入真空冷卻器內，在真空下，水分立即汽化使培養(yǎng)基溫度下降。第20頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備一、空氣除菌方法及發(fā)酵用無菌空氣的質量標準1.空氣除菌方法

(1)熱殺菌(2)輻射殺菌(3)靜電除菌(4)過濾除菌是目前生物工業(yè)生產(chǎn)中最常用、最經(jīng)濟的空氣除菌方法，它采用定期滅菌的干燥介質來阻截流過的空氣所含的微生物，從而獲得無菌空氣。1.空氣除菌方法

第21頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備2.發(fā)酵用無菌空氣的質量標準（1）空氣的壓強一般要求空氣壓縮機出口空氣的壓強控制在0.2～0.35Mpa（表壓）。（2）空氣流量發(fā)酵用無菌空氣的設計和操作中常以通氣比或VVM來計算空氣的用量。（3）空氣的溫度一般控制進入發(fā)酵罐的空氣溫度可比培養(yǎng)溫度高10℃左右。（4）空氣的相對濕度進入總過濾器的壓縮空氣的相對濕度控制在60%～70&左右。（5）壓縮空氣的潔凈度在設計空氣過濾器時，一般按染菌機率為10-3來計算，即1000次發(fā)酵周期所用的無菌空氣只允許1次染菌。第22頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備二、壓縮空氣過濾除菌工藝流程

空氣除菌流程是根據(jù)生物工業(yè)生產(chǎn)中對無菌空氣的要求（無菌程度、空氣壓力、溫度和濕度）和空氣的性質，并結合采氣環(huán)境的空氣條件和所用除菌設備的特性而制定的。空氣過濾除菌有多種流程，下面介紹幾個較為典型的設備流程。第23頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備圖3-10兩級冷卻、加熱的空氣除菌流程1-粗過濾器；2-空氣壓縮機；3-空氣儲罐；4-第一冷卻器；5；旋風分離器；6-第二冷卻器；7-絲網(wǎng)除沫器；8-空氣加熱器；9-總過濾器1.兩級冷卻、加熱空氣除菌流程第24頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備該流程的特點是兩次冷卻、兩次分離、適當加熱。經(jīng)第一冷卻器冷卻后溫度在30～35℃，大部分的水、油都已結成較大的顆粒，且霧粒濃度較大，故適宜用旋風分離器分離。第二冷卻器使空氣冷卻到20～25℃，經(jīng)進一步冷卻后析出一部分較小霧粒，宜采用絲網(wǎng)分離器分離，發(fā)揮絲網(wǎng)能夠分離較小直徑的霧粒和分離效率高的作用。壓縮空氣經(jīng)兩次冷卻、兩次分離后，相對濕度仍較高，經(jīng)加熱器加熱空氣，使其相對濕度降低至50～60%后進入空氣總過濾器，以保證過濾器的正常運行。第25頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備2、冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程冷熱空氣直接混合式空氣除菌流程1-粗過濾器；2-壓縮機；3-貯罐；4-冷卻器；5-絲網(wǎng)分離器；6-空氣過濾器

第26頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備壓縮空氣經(jīng)粗過濾器過濾后經(jīng)空氣壓縮機壓縮，然后進入到空氣貯罐?？諝鈴馁A罐出來后分成兩部分，一部分進入冷卻器，冷卻到較低溫度，經(jīng)分離器分離水、油霧后與另一部分未處理過的高溫壓縮空氣混合，此時混合空氣已達到溫度為30～35℃、相對濕度為50～60%的要求，再進入過濾器過濾。其特點是可省去第二次冷卻后的分離設備和空氣加熱設備，流程比較簡單，適用于中等含濕地區(qū)。第27頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備3、高效前置過濾空氣除菌流程高效前置過濾空氣除菌流程1-高效前置過濾器；2-壓縮機；3-貯罐；4-冷卻器；5-絲網(wǎng)分離器；6-加熱器；7-過濾器第28頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備該流程采用了高效率的前置過濾設備，利用壓縮機的抽吸作用，使空氣先經(jīng)中、高效過濾后，再進入空氣壓縮機，這樣就降低了主過濾器的負荷。經(jīng)高效前置過濾后，空氣的無菌程度已相當高，再經(jīng)冷卻、分離，進入主過濾器過濾，就可獲得無菌程度很高的空氣。此流程的特點是采用了高效率的前置過濾設備，使空氣經(jīng)過多次過濾，因而所得的空氣無菌程度比較高。

第29頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備三、壓縮空氣預處理設備壓縮空氣預處理階段：一般將空氣除菌流程中，空氣過濾器以前的部分稱為壓縮空氣預處理階段。

壓縮空氣在進入空氣過濾器前要將其夾帶的水滴、油滴去除。水滴是由于空氣經(jīng)壓縮和冷卻后，空氣中的水氣發(fā)生相變而析出；油滴是來自空氣壓縮機活塞環(huán)的潤滑油被空氣帶出來的。第30頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備以兩級冷卻、加熱空氣除菌流程為例：

1、吸風塔1、高度≥10m2、頂部設有防雨罩3、截面流速設計≤8m/s第31頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備

空氣系統(tǒng)吸風塔

第32頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備2、前置粗過濾器

主要作用是捕集較大的灰塵顆粒，防止壓縮機受損，同時也可減輕總過濾器負荷。粗過濾器一般要求過濾效率高，阻力小，否則會增加空氣壓縮機的吸入負荷和降低空氣壓縮機的排氣量?？諝饨?jīng)過前置粗過濾器處理后塵埃含量大大減少。第33頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備3、空氣壓縮機為了克服輸送過程中過濾介質等阻力，吸入的空氣必須經(jīng)空壓機壓縮，空氣壓縮機的作用是提供動力，以克服隨后的各個設備的阻力。目前國內常用的空壓機有往復式空壓機、螺桿式和渦輪式空壓機。

第34頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備（1）往復式空氣壓縮機依靠活塞在汽缸內的往復運動將空氣抽吸和壓出，因此出口壓力不夠穩(wěn)定，產(chǎn)生空氣脈動。另外，為了降低活塞在氣缸內往復運動產(chǎn)生的熱量，需用油潤滑氣缸與降溫，從而使空氣中帶入油霧，導致傳熱系數(shù)降低，增加后續(xù)的空氣凈化處理難度。目前，空氣壓縮機制造廠為克服其夾帶較多油量的缺陷，采用添加了二硫化鉬的聚四氟乙烯活塞環(huán)以取代原鋼制活塞環(huán)，使夾帶的油滴大為減少。第35頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備（2）渦輪式空氣壓縮機此類空氣壓縮機是由電動機帶動或用蒸汽渦輪機帶動，靠渦輪高速旋轉時所產(chǎn)生的“空穴”現(xiàn)象，吸入空氣并使其獲得較高的離心力，再通過固定的導輪和渦輪形成機殼，使部分動能轉變?yōu)殪o壓后輸出。離心式空氣壓縮機具有體積和重量小而流量很大、出氣均勻、不夾帶油霧等特點，是理想的生物加工過程供氣設備。第36頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備（3）螺桿式空氣壓縮機利用高速旋轉的螺桿在氣缸里瞬間組成空腔并因螺桿的運動將腔內空氣壓縮后輸出。優(yōu)點是整機安裝，占地面積小，壓縮空氣中不含油霧且排氣平穩(wěn)；缺點是維護保養(yǎng)技術要求高，適合于大中型發(fā)酵企業(yè)。第37頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備空氣經(jīng)過壓縮機的壓縮后,接受了機械功,溫度會顯著上升?？諝獗粔嚎s后壓強越高,溫度也上升得越高?？諝鈮嚎s過程，壓強與溫度之間的關系：式中，T1、T2為空氣壓縮前后的絕對溫度，K；P1、P2為壓縮前后空氣的絕對壓強，Pa；K為絕熱過程，一般在發(fā)酵工廠凈化系統(tǒng)設計時取K=1.3。第38頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備4．壓縮空氣貯罐

貯罐的作用：（1）消除脈動維持罐壓的穩(wěn)定。（2）使部分液滴在罐內沉降。（3）保溫滅菌。壓縮空氣貯罐第39頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備空氣貯罐是一個鋼制圓柱容器，罐頂上裝有安全閥、壓力表；罐底安裝排污閥；罐壁設有人孔，便于檢修。壓縮空氣進罐時應切向進入以降低空氣貯罐的噪音。貯罐的設計H/D=2.2～2.5，若空壓機采用雙氣缸一級壓縮，貯罐容積可用下式計算：

式中，V為貯罐容積，m3；Vp為氣缸的容積，m3；n為壓縮比。第40頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備5、空氣冷卻器空氣冷卻器的作用是使壓縮空氣除水減濕。冷卻設備通常采用雙程或多程立列管式換熱器，冷卻水走管程，壓縮空氣走殼程?？諝獾慕o熱系數(shù)很低，一般只有420KJ/（m2·h·℃），設計時應采用恰當?shù)拇胧﹣硖岣咚膫鳠嵯禂?shù)，否則將需要很大的傳熱面積。為提高換熱器的傳熱系數(shù)應在殼程安裝圓缺型折流板。第41頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備6、氣液分離器為防止空氣空氣夾帶水滴進入總過濾器使過濾介質失效，要將析出的水滴除去。旋風分離器：初級分離水滴采用。對直徑10um的水滴除去效率在60%～70%。絲網(wǎng)分離器：除去2～5um的水滴或油滴。目前發(fā)酵工廠采用旋風分離器作為粗除水器,其后再安裝金屬絲網(wǎng)除沫器作為精細除水器。

第42頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備（1）旋風分離器

旋風分離器工作原理：含霧沫的空氣從圓筒上側的進氣管以切線方向高速進入，在環(huán)隙中高速旋轉，在離心力的作用下，水滴或油滴被拋向管壁，然后沿著管壁流下。分離出霧沫后空氣從圓筒頂?shù)呐艢夤芘懦?，油水滴沉降下來自錐底落入集液斗。第43頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備（2）絲網(wǎng)除沫器

絲網(wǎng)除沫器工作原理：當夾帶水滴或油滴的氣體穿過金屬絲網(wǎng)層時，水滴或油滴被攔截在金屬絲網(wǎng)上，液滴慢慢變大，當重力大于金屬網(wǎng)的吸附力時就自然滴下來。第44頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備7、空氣加熱器

分離油、水后空氣的相對濕度仍然為100％，當溫度稍微下降時就會析出水來，使過濾介質受潮。所以除水后的壓縮空氣進入總空氣過濾器之前要把相對濕度降到60%～70%。常用的方法是采用換熱器來加熱達到降濕的要求。一般采用列管式換熱器，空氣走管程，蒸汽走殼程。經(jīng)預處理后的空氣進入到空氣過濾器。第45頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備四、空氣除菌設備空氣除菌方法很多，介質過濾是發(fā)酵工業(yè)上常使用的方法。它采用定期滅菌的干燥介質來阻截流過的空氣中所含的微生物，從而制得無菌空氣。目前工業(yè)化微生物發(fā)酵企業(yè)一般都采用二級空氣過濾除菌，即總過濾器粗濾除菌和每個發(fā)酵罐單獨配備分過濾器相結合的方法以達到無菌，以下介紹幾種常用空氣除菌設備。第46頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備1、棉花活性炭過濾器棉花是常用的過濾介質，最好選用纖維細長疏松的未脫脂新鮮產(chǎn)品，因為脫脂棉花易吸水而使體積變?。毁A藏過久的棉花纖維變脆，易發(fā)脆甚至斷裂，造成過濾阻力增大?；钚蕴康谋砻娣e大，通過表面的吸附作用而吸附微生物。常用的活性炭是小圓柱體，要求活性炭質地堅硬、不易壓碎、顆粒均勻，填裝時要篩去粉末。活性炭的過濾效率比棉花低，但具有阻力小，吸附力強（可吸附空氣中有害物質，如油、水）的特點，通常與棉花介質一起使用，以減少過濾層的阻力。第47頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備棉花活性炭過濾器是立式圓筒形（圖3-16），內部填充過濾介質。通?？偟母叨萀中，上下棉花層厚度為總過濾層的1/4～1/3，中間活性炭層為1/2～l/3，在鋪棉花層之前先在下孔板鋪上一層30～40目的金屬絲網(wǎng)和織物(如麻布等)，使空氣均勻進入棉花濾層。填充物按下面的順序安裝：孔板→鐵絲網(wǎng)→麻布→棉花→麻布→活性炭→麻布→棉花→麻布→鐵絲網(wǎng)→孔板棉花活性炭過濾器是立式圓筒形（圖3-16），內部填充過濾介質。通?？偟母叨萀中，上下棉花層厚度為總過濾層的1/4～1/3，中間活性炭層為1/2～l/3，在鋪棉花層之前先在下孔板鋪上一層30～40目的金屬絲網(wǎng)和織物(如麻布等)，使空氣均勻進入棉花濾層。填充物按下面的順序安裝：孔板→鐵絲網(wǎng)→麻布→棉花→麻布→活性炭→麻布→棉花→麻布→鐵絲網(wǎng)→孔板圖3-16棉花活性炭過濾器第48頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備工作過程：通常空氣從圓筒下部切線方向進入，從上部排出，出口不宜安裝在罐頂，以免檢修時拆裝管道困難。過濾器上方應裝有安全閥、壓力表，罐底裝有排污孔。要經(jīng)常檢查空氣冷卻是否安全，過濾介質是否潮濕等情況。過濾器進行加熱滅菌時，一般是自上而下通入0.2～0.4MPa（表壓）的干燥蒸汽，維持45min，然后用壓縮空氣吹干備用。第49頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備2、濾紙類過濾器圖3-17旋風式濾紙過濾器這類過濾器的過濾介質主要是玻璃纖維紙，結構如圖所示。超細玻璃纖維紙是用上好的無堿玻璃噴吹成絲狀纖維，再以造紙法做成，纖維間的孔隙約為1～1.5μm，厚度約為0.25～0.4mm，填充率為14.8%，一般應用時需將3～6張濾紙疊在一起使用。第50頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備優(yōu)點：與棉花活性炭過濾一樣，都屬于深層過濾技術。這類過濾介質的過濾效率相當高，對于大于0.3μm的顆粒的去除率為99.99%以上，同時阻力也比較小，壓力降較小；缺點：強度不大，特別是受潮后強度更差。第51頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備3、新型空氣過濾器傳統(tǒng)的棉花活性炭、玻璃纖維棉為過濾介質的總過濾器因阻力大，裝料不便，過濾效率難以保證逐漸被新型的微孔膜空氣過濾器取代，常用的濾芯是DMF(聚四氟乙烯聚合膜)，如圖3-18所示，具有耐高溫消毒、孔徑小、流量大、強疏水性等特性。圖3-18新型空氣過濾器濾芯第52頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備4、空氣分過濾系統(tǒng)工業(yè)化生產(chǎn)中，發(fā)酵罐的容積趨于大型化，一般發(fā)酵罐體積都在60～100m3左右，如果染菌造成發(fā)酵罐倒罐將導致重大經(jīng)濟損失，因而保證無菌空氣的質量是非常重要的。常規(guī)的生產(chǎn)工藝是經(jīng)總過濾除菌的壓縮空氣在進入發(fā)酵罐之前再經(jīng)過分過濾器除菌處理。國內采用的空氣分過濾器的過濾介質有兩大類：（1）耐高溫高分子膜材如聚偏氟乙烯微孔膜、聚四氟乙烯微孔膜等，由這些濾材做成的濾芯，可耐蒸汽125℃左右滅菌30min、反復滅菌達160次。（2）金屬燒結膜材如鎳制微孔膜、不銹鋼微孔膜等。該類膜材的濾芯機械強度大，可重復高溫蒸汽滅菌和多次再生，使用壽命長。第53頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備以我國生產(chǎn)的DJ-K系列空氣過濾器為例：圖3-19DJ-K系列空氣過濾器分過濾系統(tǒng)示意圖P-壓力表T-溫度表V-空氣閥U-排污閥

K-取污閥Z-蒸汽閥第54頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備DJ-K系列空氣過濾系統(tǒng)包括：DJ-KZ蒸汽過濾器、DJ-KY預過濾器和DJ-KF精過濾器三部分組成。蒸汽過濾器介質為超細不銹鋼纖維；預過濾器介質為聚丙烯濾膜；精過濾器介質為聚四氟乙烯濾膜，外殼用304不銹鋼制成。DJ-K系列過濾器的空氣流量范圍從0.5m3/min～200m3/min。運行時，由空氣總過濾器出來的壓縮空氣先經(jīng)過DJ-Ky型空氣預過濾器，除去空氣管道中的鐵銹微粒，再經(jīng)DJ-KF空氣精過濾器后進入發(fā)酵罐。定期滅菌時，蒸汽先經(jīng)過DJ-KZ蒸汽過濾器，除去蒸汽中夾帶的鐵銹水，以防止精過濾器的微孔濾膜堵塞。第55頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備DJ-K系列空氣過濾器具有以下性能特點：(1)采用耐蒸汽滅菌的聚四氟乙烯(PTFE)微孔濾膜作為過濾介質?？稍?21℃～125℃之間蒸汽消毒30分鐘、反復160次。

(2)采用的PTFE膜是帶支撐的微孔濾膜,并帶強正電荷,具有較強的靜電吸附作用,故較之一般的膜過濾器具有更高的過濾精度和強度;(3)PTFE膜過濾器是一種強疏水性的膜材料,因此對過濾高濕性的空氣極為有利。第56頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)發(fā)酵用壓縮空氣預處理及除菌設備5、空氣過濾器的操作要點為了使空氣過濾器始終保持干燥狀態(tài)，當過濾器用蒸汽滅菌時，應事先將蒸汽管和過濾器內部的冷凝水放掉；開始時先將夾套預熱，然后將蒸汽直接沖入介質層中：小型過濾器的滅菌時間約為半小時，蒸汽從上向下沖；大型過濾器的滅菌時間約為lh，蒸汽一般先從下向上沖半小時，再從上向下沖半小時。在使用過濾器時，如果發(fā)酵罐的壓力大于過濾器的壓力(這種情況主要發(fā)生在突然停止進空氣或空氣壓力忽然下降)，則發(fā)酵液會倒流到過濾器中來。因此，在過濾器通往發(fā)酵罐的管道上應安裝單向閥門。第57頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器

生物反應器是指利用生物體（如微生物、動植物細胞）或酶所具有的特殊功能，在體外進行生物化學反應以獲得其代謝產(chǎn)物或生物體的設備，它的作用是為細胞代謝提供一個適宜的物理和化學環(huán)境，使細胞能更快更好的生長以得到更多需要的生物量或代謝產(chǎn)物。第58頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器

優(yōu)良的生物反應裝置應具有：嚴密的結構，能承受一定的壓力和溫度且便于維修；良好的傳質、傳熱和混合的性能；嚴密的結構且易于清洗和維修；靈敏的檢測和控制儀表，適用于自動化控制；動力消耗小，能獲得最大的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。在制藥工業(yè)中，生物反應器主要包括：微生物反應器，幾乎所有抗生素生產(chǎn)都是利用發(fā)酵罐進行微生物培養(yǎng)；另一類是指動、植物細胞生物培養(yǎng)反應器，用來生產(chǎn)疫苗、單克隆抗體、多肽和蛋白質類、植物皂苷等藥物。第59頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器一、微生物培養(yǎng)反應器（一）通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐通用式發(fā)酵罐屬于機械攪拌式發(fā)酵罐，是指既具有機械攪拌又有壓縮空氣分布裝置的發(fā)酵罐。由于這種型式的發(fā)酵罐是目前大多數(shù)發(fā)酵工廠最常用的，所以稱為“通用式”。第60頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器1、發(fā)酵罐的結構第61頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器主要是實驗用和用作種子罐。其容積為：實驗室用為1L-50L，中試用為50L-5000L，種子罐為50L-20000L。

10L臺式發(fā)酵罐種子罐

小型通用式發(fā)酵罐第62頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器大型機械攪拌通風發(fā)酵罐生產(chǎn)用的發(fā)酵罐日趨大型化。大型化的優(yōu)點是提高了生產(chǎn)量,減少了能源消耗，節(jié)約生產(chǎn)成本，便于自動化控制第63頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器第64頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三大型發(fā)酵罐第65頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器通用式發(fā)酵罐主要由罐體、攪拌器、擋板、軸封、空氣分布器、傳動裝置、傳熱裝置、冷卻管、消泡器、人孔、視鏡等組成，

（1）罐體罐體材料：復合不銹鋼，襯里不銹鋼板厚2～3mm。且應有一定的承壓能力2.5kg/cm2；溫度130℃。罐頂上的接管有：進料管、補料管、排氣管、接種管和壓力表接管等。罐身上的接管有：冷卻水進出管、空氣進管、溫度計管和測控儀表接口。為了減少接管，如進料管、補料口和接種管合為一個接口。罐體內要求雙面焊接，焊接面要光滑無砂眼和死角，防止雜菌潛伏在縫隙中。第66頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-21一般大中型發(fā)酵罐罐頂部件布置圖第67頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器已經(jīng)加工成型的橢圓封頭，正在加工中的筒體以及冷卻蛇管

第68頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器(2)攪拌裝置攪拌裝置的作用:打碎氣泡，加速和提高溶氧;使生物細胞懸浮分散在發(fā)酵體系中，維持適當?shù)臍?液-固三相混合;強化傳質、傳熱過程。發(fā)酵罐常用渦輪式攪拌器和旋槳式攪拌器。渦輪式攪拌器：是液體在攪拌器內作徑向和切線運動,具有流量小、壓頭較高的特點。為了避免氣泡沿軸上升，在攪拌器中央設有圓盤。葉片的形式分為平葉式、彎葉式、箭葉式等。螺旋轉式攪拌器：使液體作軸向和切向運動，具有循環(huán)量大、壓頭低的特點。第69頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器b六彎葉圓盤渦輪槳a六平葉圓盤渦輪槳c六箭葉圓盤渦輪槳d半管葉圓盤渦輪槳e圓弧葉圓盤渦輪攪拌槳f螺旋槳式攪拌器圖3-23發(fā)酵罐各種攪拌槳結構類型第70頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器徑向流型:流體的流動方向垂直于攪拌軸，沿軸向流入，徑向流出，碰到容器壁面分成兩股流體分別向上、向下流動，再回到葉端，不穿過葉片，形成上、下兩個循環(huán)流動稱為，如圖3-22（a）。軸向流型：流體的流動方向平行于攪拌軸，流體由槳葉推動，沿軸向流入，軸向流出，遇到容器底部再向上，形成上下循環(huán)動，如圖3-22（b）所示。圖3-22攪拌流型第71頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器渦輪式攪拌器：產(chǎn)生徑向流型，由于圓盤的存在，使罐內的流動分成上、下兩個循環(huán)區(qū)。剪切力大，有利于破碎氣泡，不利于微生物生長。渦輪式攪拌器具有結構簡單、傳遞能量高、溶氧速率高等優(yōu)點，但存在的缺點是軸向混合差，攪拌強度隨著與攪拌軸距增大而減弱，當培養(yǎng)液較粘稠時，混合效果下降。螺旋槳式攪拌器：產(chǎn)生軸向流型，中間的液體向下運動，靠近罐壁的流體向上運動，具有循環(huán)量大、壓頭低的特點，混合均勻程度高且混合效果較好，但重量較大，價格貴。第72頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器攪拌器的選用

渦輪攪拌器產(chǎn)生徑向流型，氣體分散能力強，但是功率消耗大，作用范圍?。宦菪龢綌嚢杵鳟a(chǎn)生軸向流型，混合性能好，功率消耗低，作用范圍大，但對氣體的控制能力弱，對氣泡的分散效果差。近些年來國外已開始將軸向流型攪拌器應用到發(fā)酵罐上。徑向型渦輪攪拌器由于圓盤的存在，使罐內的流動分成上、下兩個循環(huán)區(qū)。雖然區(qū)域內能充分混合，但兩個區(qū)域間則混合不均，相反軸向流型攪拌器則不存在分區(qū)循環(huán)等—系列缺欠，能使全罐達到良好的循環(huán)狀態(tài)第73頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器國外實踐結果表明：在保持單罐產(chǎn)量一定的條件下，以三層攪拌器為例，最下層仍采用徑向型的渦輪攪拌器，其余兩層改用軸向流型攪拌器時，與三層均采用徑向流型攪拌器相比，功率消耗可降低15～30％國內醫(yī)藥行業(yè)在50m3發(fā)酵罐內，上兩檔改裝軸流向型攪拌器，作土霉素發(fā)酵試驗表明，不但消耗功率下降，發(fā)酵指數(shù)也提高了近15％。第74頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（3）擋板在攪拌過程中會產(chǎn)生切向流，由于切向分速度的作用，液體在罐內做圓周運動，產(chǎn)生的離心力使罐內液體在徑向分布拋物線型，中心形成下凹現(xiàn)象。圖3-24無擋板及加擋板攪拌流型第75頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-24（a）可以看出不帶擋板的情況下，發(fā)酵液中間的液面下陷，形成一個很深的漩渦。因為在攪拌過程中會產(chǎn)生切向流，由于切向分速度的作用，液體在罐內做圓周運動，產(chǎn)生的離心力使罐內液體在徑向分布拋物線型，中心形成下凹現(xiàn)象。當攪拌轉速增大時，這個現(xiàn)象會更嚴重，甚至可能使攪拌器不能完全浸沒在發(fā)酵液中，導致攪拌功率下降。圖3-24（b）是加了擋板的攪拌流型。液體從攪拌器徑向甩出，遇到擋板后形成向上、向下兩部分垂直方向運動，向上部分經(jīng)過液面后，流經(jīng)軸中心而轉下。由于擋板的存在，有效地阻止了罐內液體的圓周運動，下凹現(xiàn)象消失。第76頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器擋板的作用：改變液流的方向，促使液體激烈翻動，增加溶解氧；防止攪拌過程中液面中央形成旋渦而導致攪拌器露在料液以上，起不到攪拌作用。全擋板條件：指罐內加了擋板使旋渦基本消失,或指達到消除液面旋渦的最低擋板條件。豎立的蛇管、列管、排管也可以起擋板作用.裝設4～6塊即可滿足全擋板條件。擋板寬度：（0.1～0.12）D擋板與罐壁之間的距離：擋板寬度的(1/5～1/8)，避免形成死角，防止物料與菌體堆積。第77頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（4）通氣裝置通氣裝置的作用是向發(fā)酵罐內吹入無菌空氣，并使空氣均勻分布。通氣管的出口應位于最下層攪拌器的正下方，空氣由通氣管噴出上升時，被攪拌器打碎成小氣泡，與培養(yǎng)液充分混合?？諝夥植佳b置的形式有環(huán)形管及單管。第78頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-25環(huán)形空氣分布管環(huán)形管：該裝置以環(huán)徑為攪拌器直徑的0.8倍較有效，噴孔直徑為φ5～8mm，噴孔向下，噴孔的總截面積約等于通風管的截面積。這種空氣分布裝置的空氣分散效果不如單管式。同時由于噴孔容易堵塞，現(xiàn)已很少采用。第79頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-26單管式空氣分布裝置單管式：是工廠常用的。單管式管口對正罐底中央，裝于最低一擋攪拌器下面，噴口朝下，管口與罐底的距離約40mm，該距離可根據(jù)溶氧情況適當調整，通常通風管的空氣流速取20米/秒。為了防止吹管吹入的空氣直接噴擊罐底，加速罐底腐蝕，可在罐底中央焊上直徑為100～300mm的不銹鋼保護板，叫補強板，可延長罐底壽命。第80頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（5）軸封定義：運動部件與靜止部件之間的密封叫作軸封。如攪拌軸與罐蓋或罐底之間。作用：使罐頂或罐底與軸之間的縫隙加以密封，防止泄漏和污染雜菌。形式：填料函和端面軸封兩種。目前多用端面式軸封。端面式軸封又稱機械軸封。密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密的相互貼合，并作相對轉動而達到密封。

第81頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-27填料函軸封1-轉軸；2-填料壓蓋；3-壓緊螺旋；4-填料箱體；5-銅環(huán)；6-填料填料函軸封：由填料箱體、填料底襯套（銅環(huán)）、填料壓蓋和壓緊螺栓等零件構成，使旋轉軸達到密封的效果。填料箱體固定在發(fā)酵罐頂蓋的開口法蘭上，將轉軸通過填料函，然后放置有彈性的密封填料，放上填料壓蓋，擰緊壓緊螺栓。填料受壓后，產(chǎn)生彈性變形堵塞了填料和軸之間的間隙，轉軸周圍產(chǎn)生一定的徑向壓緊力，起到密封作用。第82頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器優(yōu)點：填料函密封具有結構簡單，填料拆裝方便的特點。缺點：死角多，很難徹底滅菌，容易滲漏及染菌；軸的磨損較嚴重；增加由于摩擦所損耗的功率，產(chǎn)生大量的摩擦熱；壽命較短，需經(jīng)常更換填料。由于上述原因，現(xiàn)在好氣性發(fā)酵罐中已經(jīng)很少使用。第83頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器端面軸封

單端面機械軸封示意圖端面軸封又稱機械軸封，系指兩塊密封元件垂直于軸線的光潔而平直的表面上相互貼合，并作相對轉動而構成密封的裝置。端面軸封由彈性元件（彈簧、波紋等）、動環(huán)和靜環(huán)組成。第84頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器單端面機械軸封雙端面機械軸封裝置

第85頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器端面密封原理：密封作用是靠彈性元件（彈簧、波紋管等）的壓力使垂直于軸線的動環(huán)和靜環(huán)光滑表面緊密的貼合，并作相對轉動而達到密封，機械軸封有三個密封點：靜環(huán)與罐體之間的密封通常用各種形狀有彈性的輔助密封圈來防止液體從靜環(huán)與罐體之間泄漏,這是一靜密封。動環(huán)與軸之間的密封也是用各種形狀有彈性的輔助密封圈來防止液體從動環(huán)與軸之間泄漏,這是一個相對靜止的密封。但當端面磨損時，允許其作補償磨損的軸向移動，這個補償移動是靠彈簧或波紋板來實現(xiàn)的。動環(huán)與靜環(huán)之間的密封靠彈性元件（彈簧、波紋管等）和密封液體壓力在相對運動的動環(huán)和靜環(huán)的接觸面（端面）上產(chǎn)生一適當?shù)膲壕o力使兩個光潔、平直的端面緊密貼合,端面間維持一層極薄的液體膜達到密封的作用。第86頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器機械軸封的優(yōu)缺點優(yōu)點：密封可靠，在一個較長的使用期中不會泄漏或很少泄漏；清潔，無死角，可以防止雜菌污染；使用壽命較長，質量好的可使用2～5年；維修周期長，在正常工作的情況下，不需要維修；摩擦功率耗損少，一般約為填料函密封的10％～50％；適用范圍廣，能用于低溫、高溫、高真空、高壓、各種轉速以及各種腐蝕性、磨蝕性、易燃、易爆、有毒介質的密封。缺點：結構復雜，需要一定的加工精度和安裝技術。第87頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（6）機械消沫裝置

由于發(fā)酵液中含有大量的蛋白質，故在強烈的通氣攪拌下將產(chǎn)生大量的泡沫，嚴重的泡沫將導致發(fā)酵液外溢和增加染菌機會。減少發(fā)酵液泡沫較實用有效的方法是加入消沫劑或使用機械消泡裝置將泡沫打碎，通常生產(chǎn)上是將這兩種方法聯(lián)合使用。消泡裝置就是安裝在發(fā)酵罐內轉動軸的上部或安裝在發(fā)酵罐排氣系統(tǒng)上、可將泡沫打破或將泡沫破碎分離成液態(tài)和氣態(tài)兩相的裝置。第88頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器安裝在發(fā)酵罐內的消泡器

最簡單實用的為耙式消泡器，可直接安裝在上攪拌的軸上，消泡耙齒底部應比發(fā)酵液面高出適當高度。因為泡沫的機械強度較小，當少量泡沫上升時，耙齒可將泡沫打碎。由于這一類消泡器安裝在攪拌軸上，往往因攪拌轉速太低而效果不佳。

圖3-29耙式消泡器第89頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-30半封閉渦輪消沫器對于下伸軸發(fā)酵罐，罐頂空間較大，可以在頂部安裝半封閉渦輪消沫器（圖3-30），在高速旋轉下泡沫可直接被渦輪打碎或被渦輪拋出撞擊到壁面而粉碎；消沫效果較好。第90頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器安裝在發(fā)酵罐外的消泡器

圖3-31旋風離心式消泡器這類消泡器安裝于發(fā)酵罐的排氣口上，如離心式消泡器。工作原理與旋風分離器相同，當夾帶泡沫的氣流以切線方向進入分離器中，由于離心力的作用，液滴被甩向器壁，經(jīng)回流管返回發(fā)酵罐，氣體則從中間管排出，這種分離器只能分離含有少量液滴的氣體，且對小泡沫不能全部破碎分離。第91頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-32改進的旋風離心式消泡器圖3-32為改進的旋風離心式消泡器，它可以和消泡劑盒配合使用，并根據(jù)發(fā)酵罐內的泡沫情況自動添加消泡劑。第92頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器3-33碟片式消泡器碟片式消泡器碟片式消泡器裝在發(fā)酵罐的頂部，如圖3-33所示，當泡沫溢上與碟片式消泡器接觸時，泡沫受高速旋轉離心碟的離心力作用，將泡沫破碎分離成液態(tài)及氣態(tài)兩相，氣相沿碟片向上，通過通氣孔沿空心軸向上排出，液體則被甩回發(fā)酵罐中而達到消泡目的。該設備除沫效果好，但投資較大。第93頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（7）傳熱裝置因發(fā)酵需要恒溫下進行，而發(fā)酵工程中，生物氧化產(chǎn)生的熱能和機械攪拌產(chǎn)生的熱能回改變發(fā)酵溫度影響生產(chǎn)。所以需要有傳熱裝置。傳熱裝置：夾套、內蛇管、外盤管等。根據(jù)實際生產(chǎn)選擇合適的裝置。目前采用較多的是外盤管，將半圓形的型鋼、角鋼制成螺旋形焊接在發(fā)酵罐的外壁，同時提高冷卻劑的流速和質量，以提高傳熱系數(shù)。第94頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器夾套式傳熱裝置多用于容積較小的發(fā)酵罐或種子罐（5m3以下）優(yōu)點是結構簡單，加工容易，罐內死角少，容易清洗滅菌；缺點是傳熱壁較厚，冷卻水流速低，降溫效果差。豎式蛇管傳熱裝置蛇管分組安裝在發(fā)酵罐內，有四、六或八組不等。優(yōu)點是冷卻水在罐內的流速大，適用于冷卻水溫度較低的地區(qū)，水的用量較少。立式蛇管雖具有傳熱系數(shù)高的優(yōu)點,但占據(jù)了發(fā)酵罐容積，據(jù)計算罐內立式蛇管體積約占發(fā)酵罐容積的1.5%。此外，罐內蛇管也給罐體清洗帶來了不便，彎曲位置容易被蝕穿。第95頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器目前新型發(fā)酵罐的冷卻面移至罐外，采用外盤管作為傳熱裝置。該蛇管是將半圓形的型鋼、角鋼制成螺旋形，或將條形鋼板沖壓成半圓弧形焊接在發(fā)酵罐的外壁，同時提高冷卻劑的流速和流量，以提高傳熱系數(shù)。該裝置提高了發(fā)酵罐的容積，且罐體容易清洗，增強了罐體強度，因而可降低罐體壁厚，使整個發(fā)酵罐造價降低。第96頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器2、通用式發(fā)酵罐的計算圖3-34通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸H0-筒身高度D-罐徑W-擋板寬度B-下攪拌器距底間距s-兩攪拌器間距d-攪拌器直徑h-封頭高度HL-液位高度（1）發(fā)酵罐的幾何尺寸通用式發(fā)酵罐的有關幾何尺寸、符號如圖3-34。H0/D=1.7～3d/D=1/2～1/3W/D=1/8～1/12B/D=0.8～1.0s/d=1.5～2.5第97頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-34通用式發(fā)酵罐的幾何尺寸H0-筒身高度D-罐徑W-擋板寬度B-下攪拌器距底間距s-兩攪拌器間距d-攪拌器直徑h-封頭高度HL-液位高度其中H0/D稱高徑比，指罐筒身高與罐徑之比，是通用式發(fā)酵罐的特性尺寸參數(shù)，高徑比的合理取值既要保證傳質效果好、空氣利用率高，又要保證綜合經(jīng)濟指標和理和使用方便。在抗生素工業(yè)中，一般種子罐采用H0/D=1.7～2.0；發(fā)酵罐H0/D=2.0～2.5。第98頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器式中，為橢圓封頭的直邊高度，m；D為罐的內徑，m。第99頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器式中，為橢圓封頭的直邊高度，m；D為罐的內徑，m。第100頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器罐的有效容積

罐的有效容積是指罐的實際裝料體積，與罐的總容積之間關系如下：式中，為裝料系數(shù)，實際生產(chǎn)中，因通氣和攪拌會導致發(fā)酵液面上升和產(chǎn)生泡沫，因此罐中實際裝料量不能過大，一般取0.6～0.75。罐公稱容積發(fā)酵罐的“公稱容積”指罐的筒身容積加底封頭容積之和，其值為整數(shù)，一般不計入上封頭的容積，平常所說的多少體積的發(fā)酵罐是指罐的“公稱容積”。第101頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（3）發(fā)酵罐數(shù)量的計算在一定生產(chǎn)能力下，發(fā)酵罐個數(shù)

式中——發(fā)酵罐個數(shù)，個；——每個發(fā)酵周期相當?shù)奶鞌?shù)，d，如發(fā)酵周期72h，則天；——每個發(fā)酵罐的總容積；——每天需要生產(chǎn)的發(fā)酵液量，m3/d第102頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（4）發(fā)酵罐冷卻面積計算“發(fā)酵熱”的計算

通常稱發(fā)酵過程中產(chǎn)生的凈熱量為“發(fā)酵熱”，其熱平衡方程式表示如下：式中，為生物體生命活動過程中產(chǎn)生的熱量；為機械攪拌放出的熱量；為發(fā)酵過程通氣帶出的水蒸汽所需的汽化熱及空氣溫度上升所帶走的熱量；為發(fā)酵罐外壁和大氣間的溫差而散失的熱量。可近似計算：第103頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器一般發(fā)酵熱的大小因品種或發(fā)酵時間不同而異，通常發(fā)酵熱的平均值為10500～33500。由于生物氧化作用產(chǎn)生的熱量不能通過簡單的計算求得，一般要靠實測求得。在實驗測量中，維持培養(yǎng)液溫度恒定不變的情況下，定時測量發(fā)酵罐中傳熱裝置冷卻水進、出口的溫度和冷卻水用量就可由下式求得：式中，為發(fā)酵液每小時放出的最大熱量，kJ/h；W為冷卻水流量，kg/h；c為冷卻水比熱容，℃)；t1、t2

為冷卻水進出口溫度，℃。第104頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器傳熱面積的計算可按傳熱方程式來確定：式中，F(xiàn)為發(fā)酵罐的傳熱面積，m2；K為換熱裝置的傳熱系數(shù)，℃）；為發(fā)酵液與冷卻水間的平均溫度差，可通過下式計算：

式中，為發(fā)酵液溫度,℃；t1、t2為冷卻水進、出口溫度，℃。第105頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（二）機械攪拌自吸式發(fā)酵罐1、機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的特點與傳統(tǒng)的機械攪拌通風發(fā)酵罐相比，自吸式發(fā)酵罐具有如下的優(yōu)點與不足：(1)不必配備空氣壓縮機及其附屬設備，節(jié)約設備投資約30％左右，減少廠房占地面積。(2)氣泡小，氣液均勻接觸，因而溶氧系數(shù)高、能耗較低。(3)設備便于自動化、連續(xù)化，減少勞動力，生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟效益高。第106頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-34機械攪拌自吸式發(fā)酵罐

自吸式發(fā)酵罐是負壓吸入空氣的，故發(fā)酵系統(tǒng)不能保持一定的正壓，較易產(chǎn)生雜菌污染，同時，必須配備低阻力損失的高效空氣過濾系統(tǒng)。由于結構上的特點，大型自吸式充氣發(fā)酵罐的攪拌充氣葉輪的線速度在30m/s左右，在葉輪周圍形成強烈的剪切區(qū)域。因此該反應器只適用于酵母和桿菌等耐受剪切應力能力較強的微生物發(fā)酵生產(chǎn)。第107頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器2、機械攪拌自吸式發(fā)酵罐的工作原理（a）四葉輪轉子（b）定子轉子由罐底向上升入的主軸帶動，當轉子轉動時空氣則由導氣管吸入?？諝夤芘c轉子相連接,在轉子啟動前,先用液體將轉子浸沒,然后啟動馬達使轉子轉動。由于轉子高速旋轉,液體或空氣在離心力的作用下,被甩向葉輪外緣,在這個過程中,流體便獲得能量,若轉子的轉速愈快,旋轉的線速度也愈大,則流體(其中還含有氣體)的動能也愈大,流體離開轉子時,由動能轉變?yōu)殪o壓能也愈大,在轉子中心所造成的負壓也越大，因此空氣不斷地被吸入，甩向葉輪的外緣，通過定子而使氣液均勻分布甩出。第108頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器自吸式發(fā)酵罐是靠轉子轉動形成的負壓而吸氣通風的，吸氣裝置是沉浸于液相的，所以為保證較高的吸風量，發(fā)酵罐的高徑比H/D不宜取大，且罐容增大時，H/D應適當減少，以保證攪拌吸氣轉子與液面的距離為2～3m。對于黏度較高的發(fā)酵液，為了保證吸風量，應適當降低罐的高度。為了保證發(fā)酵罐有足夠的吸氣量，攪拌器的轉速應比一般通用式的要高。功率消耗量應維持在3.5KW/m3左右.第109頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器(三)氣升環(huán)流式發(fā)酵罐1、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的特點(1)反應溶液分布均勻：(2)較高的溶氧速率和溶氧效率：(3)剪切力小，對生物細胞損傷?。?）傳熱良好：(5)結構簡單，易于加工制造。（6)操作和維修方便：第110頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器2、氣升環(huán)流式發(fā)酵罐的工作原理（a）內循環(huán)氣升式發(fā)酵罐（b）外循環(huán)氣升式發(fā)酵罐圖3-36氣升環(huán)流式發(fā)酵罐第111頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器內循環(huán)氣升式發(fā)酵罐[圖3-36（a）]：發(fā)酵罐裝有導流筒，將發(fā)酵液分為上升區(qū)（導流筒內）和下降區(qū)（導流筒外），在上升區(qū)的下部安裝了空氣噴嘴。加壓的無菌空氣通過噴嘴噴射進到發(fā)酵液中，通過氣液混合物的湍流作用而使空氣泡分割細碎，與導流筒內的發(fā)酵液密切接觸，供給發(fā)酵液溶解氧。由于導流筒內形成的氣液混合物密度降低，加上壓縮空氣的噴流動能，因此使導流筒內的液體向上運動；到達反應器上部液面后，一部分氣泡破碎，二氧化碳排出到反應器上部空間，而排出部分氣體的發(fā)酵液從導流筒上邊向導流筒外流動，導流筒外的發(fā)酵液因氣含率小，密度增大，發(fā)酵液則下降，再次進入上升管，形成循環(huán)流動，實現(xiàn)混合與溶氧傳質。第112頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器外循環(huán)氣升式發(fā)酵罐[圖3-36（b）]：在罐外裝設上升管，上升管兩端與罐底及罐上部相連接，構成一個循環(huán)系統(tǒng)。在上升管的下部裝設空氣噴嘴，空氣噴嘴以250～300m/s的速度噴入上升管，借噴嘴的作用使空氣泡分割細碎，與上升管的發(fā)酵液密切接觸。由于上升管內的發(fā)酵液輕，加上壓縮空氣的噴流動能，使上升管的液體上升，罐內液體下降而進入上升管，形成反復的循環(huán)，供給發(fā)酵液所耗的溶解氣量，使發(fā)酵正常進行。第113頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器二、動物細胞培養(yǎng)反應器

動物細胞培養(yǎng)是從動物取出體內細胞，模擬體內的生理環(huán)境，在無菌、適溫和豐富的營養(yǎng)條件下，使離體細胞生存、生長并維持結構和功能的一門技術。

通過動物細胞培養(yǎng)可以生產(chǎn)出許多與人類健康和生存密切相關的藥品和生物制品，如從病毒疫苗到干擾素；從診斷試劑到治療蛋白、單克隆抗體等，形成了一項獨特的高新技術產(chǎn)業(yè)，顯示了巨大的工業(yè)發(fā)展前景。第114頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器動物細胞培養(yǎng)與植物細胞、微生物細胞培養(yǎng)相比較的區(qū)別：（1）動物細胞沒有細胞壁，因而對剪切力非常敏感，因此攪拌要柔和。（2）動物細胞對培養(yǎng)基的營養(yǎng)要求非?？量蹋枰诙喾N氨基酸，維生素，輔酶，核酸，激素和血清等物料配制成的培養(yǎng)液中才能很好地生長；（3）動物細胞對于培養(yǎng)環(huán)境的適應性差，對環(huán)境更加敏感，包括pH、溶解氧、溫度等都比微生物有更高的要求。（4）動物細胞相對于微生物來說，生長比較緩慢，因而培養(yǎng)時間較長，而且動物細胞的培養(yǎng)條件有非常適合雜菌的生長，所以需要更為嚴格的防污染措施。第115頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器動物細胞體外培養(yǎng)的特性有兩類：一類是貼壁培養(yǎng)，即細胞在培養(yǎng)時需要貼附于壁上。原來是圓形的細胞一經(jīng)貼壁就迅速鋪展，然后開始有絲分裂，并很快進入對數(shù)生長期。一般在數(shù)天后鋪滿生長表面，形成致密的細胞單層。當細胞生長到表面相互接觸時，就停止分裂增殖，這種現(xiàn)象稱為接觸抑制。所以如需繼續(xù)培養(yǎng)，就要將單層細胞再分散，稀釋后再重新接種，進行傳代培養(yǎng)，大多數(shù)動物細胞屬于貼壁依賴性細胞；二是懸浮培養(yǎng)，細胞可以像微生物一樣懸浮培養(yǎng)，為非貼壁依賴型。它們主要是血液、淋巴組織細胞或腫瘤細胞，能在培養(yǎng)器中自由懸浮生長，可采用類似微生物培養(yǎng)的方法進行培養(yǎng)。第116頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三滾瓶系統(tǒng)

傳統(tǒng)的用于動物細胞培養(yǎng)的反應器是滾瓶，當在滾瓶中裝入培養(yǎng)液并接種后，平放在一個裝置上，使?jié)L瓶緩慢旋轉，動物細胞就在滾瓶內壁貼壁生長繁殖，培養(yǎng)到一定時間后將細胞收獲。目前許多生物制品工廠就用4～30l大小的成千上萬個滾瓶進行培養(yǎng)，來生產(chǎn)疫苗。滾瓶系統(tǒng)具有結構簡單、投資少、技術成熟等優(yōu)點，但是滾瓶系統(tǒng)勞動強度大，占用空間大，細胞產(chǎn)率低。第117頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三單克隆抗體技術

1975年英國科學家Milstein和Kohler將產(chǎn)生抗體的B淋巴細胞與腫瘤細胞融合，成功建立了單克隆抗體技術，而獲得1984年諾貝爾醫(yī)學和生理學獎。每個B淋巴細胞僅專一地產(chǎn)生、分泌一種針對某種抗原決定簇的特異性抗體，而腫瘤細胞可以無限增殖，因此雜交瘤細胞既可無限生長又能分泌大量單克隆抗體。單克隆抗體技術的最主要優(yōu)點是可以用不純的抗原分子大量制備純一的單克隆抗體。第118頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第119頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三動物克隆

生物繁殖后代通常是以精、卵細胞結合的有性生殖方式進行。通過體細胞繁殖個體的方法稱為無性繁殖?？寺∈侵鸽x體條件下的無性繁殖。1981年Imenses率先報告用小鼠幼胚細胞核克隆出正常小鼠。隨后，1984年Willadsen用未成熟羊胚細胞核克隆出一頭羊。英國PPI生物技術的羅斯林（Roslin）研究所的維爾穆特(Wilmut)博士1997年2月27日在世界著名權威雜志《Nature》宣布的用乳腺細胞的細胞核克隆出一只綿羊“多莉(Dolly)”的消息。“多莉”的誕生，既說明了體細胞核的遺傳全能性，也翻開了人類以體細胞核競相克隆哺乳動物的新篇章。此項技術因而榮登美國《Science》周刊評出的1997年十大科學發(fā)現(xiàn)的榜首。第120頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三綿羊B乳腺細胞核易核卵融合卵綿羊C子宮多莉植入植入生產(chǎn)克隆多莉羊示意圖取出未受精卵去核電激體外胚胎發(fā)育綿羊A62第121頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三多莉克隆猴第122頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三

在這之前，我國生物學家曾用胚胎細胞作為供核細胞，培育出了克隆牛和克隆兔。但是，多利羊在技術上的突破之處在于供核細胞是體細胞。這說明高度分化的動物體細胞的細胞核仍然具有全能性，在合適的條件下，就可能發(fā)育成新的個體。第123頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（一）通氣攪拌式細胞培養(yǎng)反應器圖3-37CelliGen籠式通氣攪拌器

動物細胞培養(yǎng)中的攪拌式反應器經(jīng)過改進，產(chǎn)生了各種各樣的通氣攪拌反應器，如槳式、船帆式、籠式通氣攪拌器等，其中較典型的是籠式通氣攪拌反應器，如圖3-37所示第124頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器CelliGen籠式通氣攪拌器是通過改進后的攪拌器，設有通氣腔和籠式的消泡腔，氣液交換在由200目（75um）不銹鋼絲網(wǎng)制成的通氣腔內完成，通氣過程中所產(chǎn)生的泡沫，經(jīng)管道進入消泡腔中的200目絲網(wǎng)時被破碎，分散成氣、液兩部分，這樣既避免在培養(yǎng)基中產(chǎn)生泡沫而損傷細胞，又可使通氣中產(chǎn)生的泡沫及時消散，防止細胞呼吸窒息。第125頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器優(yōu)點：液體在罐體內形成從下到上的循環(huán)，罐內液體在比較柔和的攪拌情況下達到比較理想的攪拌效果，罐內各處營養(yǎng)物質比較均衡，有利于營養(yǎng)物質和細胞產(chǎn)物在細胞營養(yǎng)液之間的傳遞，剪切力對細胞的破壞降低到比較小的程度；由于攪拌器內單獨分出一個區(qū)域供氣液接觸，氣體進入時鼓泡產(chǎn)生的剪切力無法傷害到細胞；這種反應器的氣道也可以用于通入液體營養(yǎng)，與出液口濾網(wǎng)配合進行細胞的營養(yǎng)液置換培養(yǎng)增加了反應器的功能。

缺點：氧傳遞系數(shù)小，不能滿足培養(yǎng)高密度細胞時的耗氧要求；氣路系統(tǒng)不能就地滅菌；攪拌器結構復雜，拆卸清洗困難。

第126頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（二）氣升式動物細胞培養(yǎng)反應器氣升式反應器結構簡單，可避免使用軸承而造成細胞培養(yǎng)的污染；產(chǎn)生的湍動溫和而均勻，剪切力相當??；同時反應器內無機械運動部件，因而細胞損傷率比較低；反應器通過直接噴射空氣供氧，氧傳遞速率高；反應器內液體循環(huán)量大，細胞和營養(yǎng)成分能均勻分布于培養(yǎng)基中。由于氣升式動物細胞培養(yǎng)反應器的這些優(yōu)點，因此在動物細胞大規(guī)模培養(yǎng)中也取得了很大的成功。目前，用于動物細胞培養(yǎng)的氣升式反應器已達10m3規(guī)模。

第127頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（三）中空纖維細胞培養(yǎng)反應器

中空纖維細胞培養(yǎng)反應器在動物細胞培養(yǎng)方面用途較廣，既可培養(yǎng)懸浮生長的細胞,又可培養(yǎng)貼壁依賴性細胞，細胞密度高達109個／mL數(shù)量級。如果能控制系統(tǒng)不受污染，則能長期運轉，具有很高的工業(yè)應用價值。中空纖維是用聚礬或丙烯的聚合物制成。管壁的厚度約50-75μm，直徑為2OOμm。管壁是半透膜管，能截留住大分子物質，小分子物質可自由通過。第128頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器圖3-38一種中空纖維細胞培養(yǎng)反應器結構示意圖1-中空纖維束；2-2'-反應器外殼；3-3'-中空纖維束固定板；4-4'-中空纖維內腔進出口；5-5'-中空纖維外表面進出口；6-6'-密封板第129頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器一個培養(yǎng)筒內由數(shù)千根中空纖維所組成，然后封存在特制的圓筒里，這樣圓筒內形成了2個空間：每根纖維的管內成為“內室”，管與管之間的間隙就成為“外室”。當使用這種中空纖維反應器進行貼壁細胞培養(yǎng)時，細胞和培養(yǎng)液放在中空纖維外表面區(qū)，細胞可沿著中空纖維外表面生長，新鮮的培養(yǎng)液可由接口5進出。細胞培養(yǎng)需要的氧氣和二氧化碳通過接口4進入中空纖維內腔區(qū)，經(jīng)過纖維壁上大量的小孔供給細胞生長需要。第130頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器由于細胞分泌產(chǎn)物（如單克隆抗體）的分子質量大而無法穿透到“內室”去，只能留在“外室”并且不斷被濃縮。當需要收集這些產(chǎn)物時，只要把管與管之間的“外室”總出口打開，產(chǎn)物就能流出來。至于細胞生長繁殖過程中的代謝廢物，因為都屬小分子物質，可以從管壁滲進“內室”,最后從“內室”總出口排出,不會對“外室”細胞產(chǎn)生毒害作用。第131頁，共146頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)生物反應器（四）動物細胞微載體懸浮培養(yǎng)反應器微載體懸浮培養(yǎng)是指用微珠作載體，使單層動物細胞生長于微珠表面，可在培養(yǎng)液中進行懸浮培養(yǎng)，這種培養(yǎng)方式將單層培養(yǎng)和懸浮培養(yǎng)結合起來，是大規(guī)模動物細胞培養(yǎng)技術最常用的方法。微載體